Як працюють фотоелементи, фотослое
Ймовірно, вам також знайомий вираз «сонячна революція», яке на слуху останні 20 років - ідея про те, що прийде день, коли всі ми будемо використовувати безкоштовну енергію Сонця. Це приваблива обіцянку: в яскравий, сонячний день Сонце віддає приблизно 1000 ват енергії на квадратний метр земної поверхні, і якби ми змогли зібрати всю цю енергію, то ми б запросто змогли забезпечити безкоштовною енергією наші будинки і офіси.
У цій статті ми вивчимо, яким чином фотоелементи перетворюють сонячну енергію прямо в електричну. У процесі вивчення ви зрозумієте, чому використання сонячної енергії в повсякденному житті стає все ближче і ближче, і чому нам все ще необхідні дослідницькі роботи, перш ніж цей процес стане стоїть.
Фотоелектричні елементи: перетворення фотонів в електрони
Фотоелементи, які ви бачите в калькуляторах і на супутниках, є фотоелектричними елементами або модулями (модулі - просто група елементів, електрично з'єднаних і розміщених в одному каркасі). Фотоелектрика, як слово, має на увазі перетворення сонячного світла прямо в електрику. Починаючи з майже виключно для використання в космосі, фотоелектричні елементи все більше і більше використовуються в менш екзотичних сферах людського життя. Вони могли б навіть забезпечити енергією ваш будинок. Як же працюють ці пристрої?
Фотоелектричні (ФЕ) елементи виготовлені зі спеціальних матеріалів під назвою напівпровідники (semiconductors), таких як кремній, який в даний момент найчастіше зазвичай і використовується. По суті, коли світло потрапляє на фотоелемент, певна його частина поглинається матеріалом напівпровідника. Це означає, що енергія поглиненого світла передається напівпровідника. Ця енергія звільняє електрони, дозволяючи їм текти вільно. У всіх фотоелементів також є одне або кілька електричних полів, які змушують електрони, звільнені світловим поглинанням (абсорбцією), текти в певному напрямку. Ця течія електронів і являє собою струм, і за допомогою встановлених зверху і знизу металевих контактів фотоелементів ми можемо витягти цей струм для зовнішнього використання. Наприклад, цей струм може живити калькулятор. Цей струм, укупі з напругою елемента (яке є результатом його внутрішнього поля або полів) визначає енергію (або потужність), яку фотоелемент може виробити.
Це опис процесу перетворення коротко, опис основ. Давайте поглянемо на нього більш детально на прикладі однокристального кремнієвого фотоелемента.
Як з кремнію виходить фотоелемент
У кремнію є кілька спеціальних хімічних властивостей, особливо в його кристалічній формі. У атома кремнію 14 електронів, розміщених в трьох різних оболонках. Перші дві оболонки, найближчі до центру, повністю заповнені. Зовнішня оболонка, однак, заповнена тільки наполовину, і має тільки чотири електрона. Атом кремнію весь час прагне заповнити цю останню оболонку (яка прагне мати вісім електронів). Щоб зробити це, він розділяє електрони з чотирма своїми сусідніми атомами кремнію, тобто як ніби кожен атом тримає за руки свого сусіда, за винятком того, що в цьому випадку кожен атом має чотири руки, з'єднаними з чотирма сусідніми. Ось що формує кристалічну структуру, і ця структура є важливим моментом для цього типу фотоелементів.
Нами був описаний чистий, кристалічний кремній. Чисті кремній є поганим провідником електрики через відсутність вільних електронів, які могли б переміщатися, подібних електронів в хорошому провіднику, яким є, наприклад, мідь. Крім того, всі його електрони замкнені в його кристалічній решітці. Кремній в фотоелементі злегка модифікується для того, щоб працювати як фотоелемент.
У фотоелементі застосовується кремній з домішками - інші атоми перемішані з атомами кремнію, трохи змінюючи принцип його дії. Зазвичай ми думаємо про домішки як про щось небажане, але в даному випадку наш елемент не зміг би працювати без них. Ці домішки дійсно додаються для певної мети. Візьмемо кремній з розкиданим атомом фосфору, можливо одним атомом на кожен мільйон атомів кремнію. У фосфору п'ять електронів в його зовнішньому каркасі, не чотири. Вони проте пов'язані зі своїми сусідніми атомами кремнію, але сенс в тому, що один його електрон «не тримається за руку». Він не утворює частина зв'язку, але є позитивний протон в ядрі фосфору, що заміщає його.
Коли енергія потрапляє в чистий кремній, наприклад, у формі тепла, вона може змусити кілька електронів звільнитися від їх зв'язків і покинути свої атоми. У кожному такому випадку на цьому місці утворюється дірка. Ці електрони потім хаотично блукають по кристалічній решітці в пошуках іншого діри, щоб потрапити в неї. Ці електрони називаються вільними носіями, і можуть передавати електричний струм. Їх так мало в чистому кремнії і, тим не менш, вони не приносять користі. Наш нечистий кремній з перемішані в ньому атомами кремнію - зовсім інша справа. Виявляється, потрібно набагато менше енергії, щоб вибити один з наших «зайвих» електронів фосфору, так як вони не пов'язані узами - їх сусіди не утримують їх. В результаті більшість з цих електронів звільняються, і ми маємо набагато більше вільних носіїв, ніж мали б в чистому кремнії. Процес додавання домішок з певною метою називається легуванням, і коли кремній легируют фосфором, то в результаті його називають N-типом (N-type, N утворюється від negative - негативний), через поширення вільних електронів. Легований кремній N-типу є набагато кращим провідником, ніж чистий кремній.
Насправді тільки одна частина наших фотоелементів є N-типом. Інша частина легується бором, у якого тільки три електрона в його зовнішньому каркасі замість чотирьох, щоб стати P-типом кремнію (P-type, P утворено від positive - позитивний). Замість наявних трьох електронів, кремній P-типу має три дірки. Дірки в дійсності всього лише відсутність електронів, тому вони переносять протилежний (позитивний) заряд. Вони подорожують так само, як і електрони.
Найцікавіше починається тоді, коли починають порівнювати кремній N-типу і P-типу. Згадаймо, то кожен фотоелемент має, принаймні, одне електричне поле. Без електричного поля фотоелемент не зміг би працювати, і це поле утворюється тоді, коли кремній N-типу контактує P-типом. Всі вільні електрони на N-стороні, які шукали діри, щоб зайняти їх, виявляють все вільні дірки на P-стороні, і скажено поспішають зайняти їх.
анатомія фотоелемента
Раніше наш кремній весь був електрично нейтральним. Наші зайві електрони були врівноважені зайвими протонами фосфору. Наші відсутні електрони (дірки) були врівноважені відсутніми протонами бору. Коли дірки і електрони змішуються в з'єднанні між кремнієм N- і P-типів, то цей нейтралітет порушується. Всі вільні електрони заповнюють всі вільні дірки? Ні. Якби так сталося, то таке розміщення не було б дуже успішним. Прямо в з'єднанні, тим не менш, вони змішуються і утворюють бар'єр, який ускладнює перехід електронів на N-стороні до P-стороні. В кінцевому рахунку рівновагу досягається, і у нас з'являється електричне поле, що розділяє ці дві сторони.
Це електричне поле діє як діод, дозволяючи (або навіть підштовхуючи) електрони текти від P-сторони до N-стороні, але не назад. Це як пагорб - електрони легко можуть котитися до низу пагорба (до N-стороні), але не можуть піднятися по ньому (до P-стороні).
Отже, ми маємо електричне поле, що діє як діод, в якому електрони можуть переміщатися тільки в одному напрямку.
Коли світло, в формі фотонів, потрапляє на наш фотоелемент, то його енергія звільняє пари електрон-дірка.
Кожен фотон, що має досить енергії, як правило, звільняє точно один електрон, в результаті також з'являється вільна дірка. Якщо це відбувається досить близько від електричного поля, або якщо вільний електрон або вільна дірка випадково потрапляє в зону його дії, то поле відправить електрон на N-сторону, а дірку на P-сторону. Це є додатковою причиною порушення електричного нейтралітету, і якщо ми надамо зовнішній шлях для струму, то електрони потечуть по ньому до своєї рідної стороні (P-стороні), щоб з'єднатися з дірками, які відправило туди електричне поле, роблячи свою справу через цей шлях. Перебіг електронів створює струм, і електричне поле фотоелемента є причиною напруги. За допомогою струму і напруги ми отримуємо енергію, яку вони виробляють.
Залишилося ще кілька кроків, перш ніж ми зможемо використовувати наш фотоелемент. Кремній дуже блискучий матеріал, що означає, що він дуже відображає. Відображені фотони не можуть бути використані в фотоелементі. З цієї причини на верхній шар фотоелемента нанесено антіотражающее покриття, щоб скоротити втрати від відбиття не менше ніж на 5%.
Останнім кроком є скляна закриває пластина, яка захищає фотоелемент від впливу зовнішнього середовища. Фотоелектричні модулі виготовляються з'єднанням декількох елементів (зазвичай 36) послідовно і паралельно, щоб досягти необхідного рівня напруги і струму, і приміщенням їх в надійний каркас, укомплектований скляною кришкою і позитивною і негативною клемами на задній стороні.
Скільки ж сонячної енергії поглинають наші фотоелементи? На жаль, найбільше, що наш простий фотоелемент може поглинути - близько 25%, а ще вірогідніше 15% або менше. Чому так мало?
Втрати енергії в фотоелементі
Видиме світло це всього лише частина електромагнітного спектра. Електромагнітне випромінювання не є монохроматичним - воно утворено гамою хвиль різної довжини, а, отже, енергетичних рівнів.
Світло може бути розділений на хвилі різної довжини, і ми можемо бачити їх у формі веселки. Так як у світла, який потрапляє в наш фотоелемент, є фотони широкого діапазону енергій, виявляється, що у деяких з них не буде достатньої кількості енергії, щоб утворити пару електрон-дірка. Вони просто пройдуть через елемент, як якщо б були прозорими. Але є інші фотони, у яких занадто багато енергії. Тільки певна кількість енергії, що вимірюється в електрон-вольтах (eV) і визначається нашим матеріалом (близько 1,1 eV для кристала кремнію) потрібно, щоб зробити електрон вільним. Воно називається енергією іонізації матеріалу. Якщо у фотона більше енергії, ніж необхідну кількість, то надлишки енергії втрачаються (якщо фотон не має вдвічі більше енергії, ніж потрібно, і не може створити більше, ніж одну пару електрон-дірка, але цей ефект незначний). В результаті одних лише цих двох причин відбувається втрата близько 70% променевої енергії нашого елементу.
Чому ж ми не можемо вибрати матеріал з дійсно низькою іонізацією, щоб використовувати більшу кількість фотонів? На жаль, наша іонізація також визначає силу (напруга) нашого електричного поля, і якщо вона занадто низька, то за те, що ми отримаємо додатковий струм (за рахунок поглинання більшої кількості фотонів), ми втратимо невелика кількість напруги. Згадаймо, що енергія є напруга, помножена на струм. Оптимальна іонізація, збалансована між двома цими показниками, близько 1,4 eV для фотоелемента, виготовленого з окремо взятого матеріалу.
Також у нас є й інші втрати. Наші електрони змушені текти від одного боку фотоелемента до іншої через зовнішній ланцюг. Ми можемо покрити нижню частину металевим покриттям, забезпечивши хорошу електропровідність, але якщо ми повністю покриємо верхню частину, то фотони не зможуть пройти крізь непрозорий провідник і ми втратимо весь наш ток (в деяких фотоелементах на верхній частині використовуються прозорі провідники, але не у всіх) . Якщо ми вставимо наші контакти тільки з боків нашого елементу, то електрони доведеться подорожувати на надзвичайно довгий (для електрона) відстань, щоб досягти контакту. Пам'ятайте, що кремній - напівпровідник, він аж ніяк не так добре проводить струм, як метал. Його внутрішній опір (зване послідовним опором) досить високо, а високий опір означає і високі втрати. Щоб зменшити ці втрати, наш фотоелемент покривають сіткою металевих контактів, яка вкорочує дистанцію, яку електронам доводиться долати, що покриває тільки невелику частину поверхні елемента. І навіть в цьому випадку деякі фотони блокуються цієї сіткою, яка не може бути замалою або інакше її власний опір буде занадто великим.